Gromada galaktyk może działać jak naturalny teleskop i tworzyć kilka obrazów tego samego obiektu
Ogromna masa gromady zakrzywia czasoprzestrzeń i przez to tor światła lecącego z jeszcze dalszych galaktyk. Jeśli geometria jest odpowiednia, światło może dotrzeć do nas kilkoma drogami, tworząc wiele obrazów jednego źródła, długie łuki albo niemal pierścień. Zjawisko nazywa się silnym soczewkowaniem grawitacyjnym. Dla astronomów deformacja nie jest przeszkodą, lecz prezentem: gromada działa jak naturalna lupa, powiększając obiekty zbyt słabe, by zobaczyć je równie dokładnie bez dodatkowej grawitacji. Z kształtu łuków można jednocześnie odtworzyć rozkład całkowitej masy soczewki, w tym ciemnej materii.
Grawitacja zgina nie tylko orbity planet
W ogólnej teorii względności masa zakrzywia czasoprzestrzeń, a światło porusza się po jej geodezyjnych. Dla obserwatora efekt wygląda jak ugięcie promieni przy przejściu obok masywnego obiektu. Pojedyncza gwiazda daje maleńki mikrolensing, galaktyka może utworzyć kilka obrazów kwazaru, a cała gromada ma dostateczną masę, by wyginać światło w spektakularne łuki widoczne na zdjęciach Hubble’a i Webba.
Jeden obiekt może pojawić się kilka razy
Jeśli źródło, soczewka i obserwator są ustawione odpowiednio, istnieje kilka dróg optycznych o podobnym czasie przelotu. NASA pokazuje przykład gromady 0024+1654, gdzie jedna odległa galaktyka pojawia się jako pięć osobnych obrazów. Nie są to pięć galaktyk o identycznym wyglądzie. To pięć zniekształconych widoków tego samego źródła, którego światło ominęło gromadę różnymi stronami.
Naturalny teleskop ma bardzo dziwną optykę
Soczewka grawitacyjna nie posiada wypolerowanego szkła i nie tworzy prostego, ostrego powiększenia. Rozkład masy jest nieregularny, więc obrazy są ścinane, rozciągane i nierównomiernie wzmacniane. Astronomowie budują modele masy gromady, aby „odwinąć” deformację i zrekonstruować źródło. Dzięki temu silny lensing pozwala obserwować szczegóły galaktyk z bardzo wczesnych epok kosmicznych.
Ciemna materia bierze udział w soczewkowaniu
Światło reaguje na całkowite pole grawitacyjne, niezależnie od tego, czy masa świeci. Dlatego położenia i kształty łuków ograniczają rozkład ciemnej materii w gromadzie. To wielka zaleta względem metod opartych na jasności. Jeśli obszar ma niewiele gwiazd, ale dużą masę, soczewka nadal to „czuje”. Mapy z lensingu można porównać z mapami gorącego gazu i galaktyk, testując strukturę gromady.
Powiększenie otwiera okno na bardzo odległe galaktyki
Programy Hubble Frontier Fields celowo obserwowały masywne gromady, wykorzystując ich grawitację jako dodatkowy element instrumentu. W połączeniu z czułością teleskopu soczewka pozwalała wykrywać słabsze i mniejsze galaktyki niż w zwykłym polu. Webb kontynuuje tę strategię w podczerwieni. W efekcie część najdokładniejszych obserwacji młodych galaktyk jest możliwa właśnie dlatego, że pomiędzy nami a źródłem przypadkiem stoi ogromna masa.
Różne drogi oznaczają różne opóźnienia
Jeśli źródło jest zmienne, np. kwazar albo supernowa, poszczególne obrazy mogą rozjaśniać się w różnych momentach. Drogi mają inną długość i przechodzą przez różny potencjał grawitacyjny, więc czas podróży światła nie jest identyczny. Pomiar opóźnień pozwala badać rozkład masy soczewki, a w odpowiednich układach nawet parametry kosmologiczne. Jedna soczewka może więc działać jednocześnie jak lupa, mapa masy i zegar.
Najdziwniejszy teleskop we Wszechświecie
Instrument astronomiczny zwykle staramy się izolować od przypadkowych obiektów na linii widzenia. W lensingu robimy odwrotnie: celowo wybieramy olbrzymią gromadę, ponieważ jej grawitacja zwiększa możliwości teleskopu. Otrzymany obraz jest skomplikowany, ale zawiera informacje niedostępne inaczej. To piękny przykład wykorzystania samej geometrii Wszechświata jako części układu optycznego.
Soczewka może pokazać to samo zdarzenie ponownie po latach
Gdy w silnie soczewkowanej galaktyce wybuchnie supernowa, każdy obraz źródła ma inną drogę przez zakrzywioną czasoprzestrzeń. Różnice mogą oznaczać dni, miesiące, a nawet lata opóźnienia. Słynnym przypadkiem była supernowa Refsdal, której ponowne pojawienie się w innym obrazie zostało przewidziane na podstawie modelu gromady. Taki „kosmiczny replay” jest szczególnie wartościowy: poprawne przewidzenie miejsca i czasu powrotu testuje mapę masy soczewki. Opóźnienia czasowe kwazarów i supernowych mogą też służyć do niezależnego pomiaru skali kosmologicznej. Gromada działa więc nie tylko jak lupa, ale jak bardzo skomplikowany układ optyczny z kilkoma trasami o różnych czasach propagacji.
Model soczewki jest częścią pomiaru
Grawitacyjny teleskop nie ma wypolerowanego lustra o znanym kształcie. Jego „optyką” jest rozkład masy gromady — galaktyki, gaz i ciemna materia — który trzeba najpierw odtworzyć. Astronomowie wykorzystują położenia i zniekształcenia wielu obrazów tła, aby zbudować model potencjału soczewkującego, a dopiero potem obliczyć rzeczywiste powiększenie i położenie źródła. Im więcej znanych wielokrotnych obrazów, tym lepiej można ograniczyć model. Oznacza to, że ten sam efekt jednocześnie powiększa odległy Wszechświat i dostarcza mapy masy samej gromady. Naturalny teleskop jest więc również naturalną wagą grawitacyjną.